I摘 要機(jī)器人的研究和制造水平逐漸成為一個(gè)國(guó)家或者地區(qū)綜合科技實(shí)力的標(biāo)志。如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中順利工作一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員一直致力于研究機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行，如何降低結(jié)構(gòu)自由度并簡(jiǎn)化控制一直是研究的難點(diǎn)。本課題從仿生學(xué)原理出發(fā)設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行的新型四足步行機(jī)器人。本文對(duì)多足機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析，確定了本課題的研究目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果。通過(guò)對(duì)馬的對(duì)角小跑步態(tài)分析，完成了對(duì)四足步行機(jī)器人步態(tài)的分析與原理方案的設(shè)計(jì)，主要包括步行機(jī)構(gòu)的原理方案和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的原理方案?；谏鲜龅脑矸桨?，對(duì)步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容有總體裝配圖設(shè)計(jì)、腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，對(duì)齒輪軸、直齒圓錐齒輪、軸承等關(guān)鍵零件進(jìn)行了校核計(jì)算。 本次設(shè)計(jì)完成的四足步行機(jī)器人在行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入減震裝置，對(duì)機(jī)器人的研究應(yīng)用有一定的參考意義。關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；仿馬步態(tài)；轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)；減震裝置IIABSTRACTThe research level of robot and manufacturing has become a symbol of a country or a region's comprehensive scientific and technological strength. The robot how to realize to working in the complex environment has become the focus of researchers. All engineering and technical personnel in the world, has been committed to research dynamic walking robots, how to reduce the degree of freedom of the structure and simplifies the control has been the difficulty of the study. This topic depart from the principle of bionics and design a new type of dynamic quadruped walking robot.This paper analyzes the technical status and characteristics of multi-legged robots, identified the topic of research objectives and expected results. Through the horse trotting gait analysis, analysis of quadruped walking robot gait and design the principles of the program, including the principles of the program and turn the principles of agency programs walking institutions.Based on the above principle scheme, the structure of walking robots were designed, the main contents are the general assembly drawing design, structural design of the legs, turning structural design. On the basis of mechanism design is completed, check and calculate the gear shaft, straight bevel gears, bearings and other key parts. Finally using Pro/E software to make animation for the action process of robot.The innovative design of quadruped walking robot walking mechanism and the application of shock absorber have certain reference significance to study on the robot application.Keywords: imitation horse gait; quadruped walking robot; turning mechanism;shock absorberIII目 錄摘要 .IABSTRACT II第 1 章 緒論.11.1 課題研究的目的和意義 11.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 國(guó)外關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.31.3 本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)及完成的主要工作內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果 51.3.1 研究目標(biāo).51.3.2 設(shè)計(jì)完成的主要工作內(nèi)容.51.3.3 本設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果.6第 2 章 機(jī)器人的步態(tài)分析與方案確定.82.1 四足步行機(jī)器人的步態(tài)分析與規(guī)劃 82.1.1 四足步行機(jī)器人的步態(tài)分析.82.1.2 四足步行機(jī)器人行走的步態(tài)規(guī)劃.92.1.3 四足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃.92.2 四足機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì) 102.2.1 大腿連桿組的設(shè)計(jì).102.2.2 小腿連桿組的設(shè)計(jì).11IV2.2.3 腳底面的設(shè)計(jì).122.3 四足步行機(jī)器人總體方案的確定 132.3.1 設(shè)計(jì)的基本原則及目標(biāo)要求.132.3.2 四足步行機(jī)器人的方案設(shè)計(jì).132.3.3 設(shè)計(jì)方案的選擇和確定.172.4 本章小結(jié) 19第 3 章 四足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).203.1 四足步行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 203.2 四足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 203.3 四足步行機(jī)器人減震裝置的應(yīng)用.213.3.1 減振器的工作原理.213.3.2 減振器的工作原理圖.223.4 四足步行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案.233.5 本章小結(jié) 24第 4 章 重要機(jī)構(gòu)部件的參數(shù)計(jì)算與校核.254.1 電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選取 254.2 直齒圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 274.3 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 304.3.1 電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度校核304.3.2 傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算344.4 軸承的壽命校核計(jì)算 37Ⅱ4.4.1 電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)軸軸承的壽命校核計(jì)算.374.4.2 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸軸承的壽命校核計(jì)算.374.5 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)錐齒輪軸平鍵的校核計(jì)算.384.6 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)與腿部機(jī)體連接螺栓的校核計(jì)算.384.7 本章小結(jié).40結(jié)論.42參考文獻(xiàn).43致謝.45第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 課題研究的目的和意義機(jī)器人技術(shù)是目前世界各國(guó)科研人員公認(rèn)的的高新技術(shù)，它集合了機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)化、傳感器應(yīng)用技術(shù)和人工智能技術(shù)等多門學(xué)科的最新研究成果，可以說(shuō)機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)之無(wú)愧的機(jī)電一體化技術(shù)的綜合體，所以研究人員對(duì)該領(lǐng)域的研究也是最活躍的。在不久的將來(lái)，科研人員對(duì)該技術(shù)的深入研究將直接推動(dòng)機(jī)器人在生產(chǎn)生活中的推廣和應(yīng)用。目前各國(guó)研究的移動(dòng)式機(jī)器人主要包括輪式機(jī)器人、足式機(jī)器人和履帶式的機(jī)器人。無(wú)論哪種形式的機(jī)器人都可以平穩(wěn)的通過(guò)波紋比較小的地面。但是當(dāng)?shù)孛娌y比較大的時(shí)候，就會(huì)使輪式機(jī)器人的能量損耗現(xiàn)象加重，尤其需要指出的是輪式機(jī)器人在比較軟的并且波紋浮動(dòng)比較大的路面上根本無(wú)法正常工作。相比之下，履帶式的機(jī)器人可以在比較軟的并且波紋浮動(dòng)比較大的路面上移動(dòng)，但機(jī)動(dòng)性會(huì)降低而且這種機(jī)器人的機(jī)身也會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)使得運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)?，F(xiàn)在研制的足式機(jī)器人正好彌補(bǔ)了那兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺陷，研究人員從動(dòng)物身上得到靈感設(shè)計(jì)了很多仿生足式機(jī)器人。該機(jī)器人對(duì)路況要求相對(duì)較低，僅需要有足夠的離散立足點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走，但是這類機(jī)器人一般涉及較復(fù)雜的控制系統(tǒng)和一些復(fù)雜的新興科技，所以相關(guān)的技術(shù)還有待補(bǔ)充和完善。足式機(jī)器人按照足的數(shù)量可以劃分為分為雙足機(jī)器人和多足機(jī)器人。自然界中多足動(dòng)物比較常見，在自然選擇的結(jié)構(gòu)中存在下來(lái)，有其顯著的優(yōu)勢(shì)。所以，多足人的研究較多，另外多足機(jī)器人的穩(wěn)定性相對(duì)較好，承載能力強(qiáng)，控制容易實(shí)現(xiàn)。多足機(jī)器人的足數(shù)目前有四、六、八等。其中，足數(shù)為四的機(jī)器人與其他足數(shù)的機(jī)器人相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制形式和靈活能力，對(duì)環(huán)境的判別能力和適應(yīng)能力；另外四足步行機(jī)器人不僅有很好的靜態(tài)穩(wěn)定性，而且還有超強(qiáng)的動(dòng)態(tài)步行能力，所以研究人員一直很重視四足機(jī)器人的研究和發(fā)展。本課題所設(shè)計(jì)的連桿式四足步行機(jī)器人可以承載一定的重量，由于設(shè)計(jì)的獨(dú)特性使得機(jī)器人的上機(jī)體保持平動(dòng)，再加上減震裝置的減震效果，使得該機(jī)器人可以作為2良好的運(yùn)輸工具。在后期再加上視覺搭載系統(tǒng)和傳感器，便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的識(shí)別功能。1.2 國(guó)內(nèi)外關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展，該技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新可以算是本世紀(jì)最重要的科研成果之一。一直到 1960 年以后才出現(xiàn)真正意義上的四足機(jī)器人。早在 1965 年的時(shí)候 Hildobran 拍下了四足哺乳動(dòng)物在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的照片，這為之后研究動(dòng)物各種步態(tài)的具體過(guò)程打下良好的基礎(chǔ) [1]。南斯拉夫的科學(xué)家 Tomovi 曾在機(jī)器人的行走過(guò)程中用到了有限狀態(tài)理論，并且明確的指出機(jī)器人在行走的時(shí)候腿部要么做支撐相要么做擺動(dòng)相 [2]。McGhee 于 1968 年用步態(tài)矩陣去研究四足步行機(jī)器人的步態(tài) [3]，并且給出了腿的跨距 E、占空系數(shù) β、相位 等重要的概念，隨后他和其他學(xué)者 一起對(duì)四足步i?行機(jī)器人的對(duì)稱步態(tài)進(jìn)行了研究，并把步態(tài)公式和步態(tài)矩陣有機(jī)結(jié)合在了一起 [4]。1985年中國(guó)臺(tái)灣的李祖天等人給出了對(duì)稱步態(tài)變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及穩(wěn)定裕度的計(jì)算方法 [5]。四足步行機(jī)器人的應(yīng)用前景十分廣闊，然而它的步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化一直是研究的瓶頸。如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)的統(tǒng)一，是目前各國(guó)學(xué)者一直討論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。1.2.1 國(guó)外關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀從機(jī)器人誕生到現(xiàn)在，機(jī)器技術(shù)已經(jīng)從最初的示教再現(xiàn)演變?yōu)槿滦偷闹悄軝C(jī)器人，該技術(shù)的應(yīng)用也逐漸變得廣泛。尤其是進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代之后，世界各國(guó)開始紛紛設(shè)計(jì)和生產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品和相關(guān)的附屬工具、零部件以及成熟的技術(shù)。很多科技公司也嘗試著把機(jī)器人變成具有使用價(jià)值的產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品推銷給大學(xué)或者研究部門來(lái)幫助科研人員相互學(xué)習(xí)，從而很好的創(chuàng)造了這樣一個(gè)互助互惠的平臺(tái)。這也就使得多足步行機(jī)器人的發(fā)展方向越來(lái)越多元化。日本東京工業(yè)大學(xué)研制的 TITAN 系列 [6~10] 是最具有代表性的四足步行機(jī)器人，如下圖 1.1 所示的是目前已經(jīng)成功推出的 TITAN-IX 機(jī)型，該機(jī)器人能夠完成掃雷排雷的作業(yè)。到了 20 世紀(jì) 90 年代，人們又對(duì)四足步行機(jī)器人進(jìn)行了更深層次的研究，這次研究更加重視高自主性。例如微型機(jī)器人“Spider-bot” ，它是由美國(guó) NASA 研制的，可以像蜘蛛一樣正常爬行于許多不規(guī)則的表面，該機(jī)器人的研究人員表示準(zhǔn)備將其用于未來(lái)的太空探測(cè) [11]，如圖 1.2 所示。在 2006 年初 Cornell 大學(xué)研制成功的機(jī)器人第 1 章 緒論3Cornell Ranger[12]是利用電機(jī)直接來(lái)驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，隨后又研制出了輪足結(jié)合的月球步行機(jī)器人 ATHLETE[13](圖 1.3 )和用于軍用作戰(zhàn)運(yùn)輸?shù)牟叫袡C(jī)器人 BigDog[14](圖 1.4 )。圖 1.1 四足機(jī)器人 TITAN-IX 圖 1.2 四足機(jī)器人 “Spider-bot”圖 1.3 四足步行機(jī)器人 ATHLETE 圖 1.4 美國(guó)的大狗 Bigdog另外，還有一些國(guó)家的研究人員也取得了顯著的研究成果。例如，2005 年的時(shí)候，韓國(guó)慶北大學(xué)設(shè)計(jì)的一種新型機(jī)器人 ELIRO-Ⅱ模仿蜥蜴的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 [15,16] ，可以在光滑的墻壁上爬行。被廣泛應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的步行機(jī)器人中最成功的是 Lynxmotion 公司研制的 [17]，該機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)采用一個(gè)平面四桿縮放機(jī)構(gòu)，而且每個(gè)機(jī)械腿都只具有二個(gè)自由度卻成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎，另外該機(jī)器人最具創(chuàng)新的地方就是它的記憶體有一半是留給客戶去自由支配的。41.2.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于四足步行機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)開始研究機(jī)器人比較晚，但是不可否認(rèn)的是我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步還是比較快的，已經(jīng)取得不錯(cuò)的成績(jī)的領(lǐng)域有工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和水下機(jī)器人等等。針對(duì)四足步行機(jī)器人，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研制的二種四足步行機(jī)器人比較典型，如圖1.5所示。（a ）圖所示的是利用平面四桿機(jī)構(gòu)作為腿部機(jī)構(gòu)的四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人可以完成跨越障礙和爬樓梯等多種高難度動(dòng)作，這個(gè)機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的識(shí)別和相應(yīng)步態(tài)的調(diào)整；（b）圖所示的能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)角動(dòng)態(tài)步行的四足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)是開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu), 在該機(jī)器人的每個(gè)足底均使用壓電薄膜式力傳感器來(lái)進(jìn)行信息反饋。(a)四連桿爬行機(jī)器人 (b) 多關(guān)節(jié)四足機(jī)器人圖 1.5 由上海交通大學(xué)自主研發(fā)的兩種四足步行機(jī)器人另外，圖1.6所展示的是清華大學(xué)機(jī)器人研制成功的兩種四足機(jī)器人。下圖(a)所展示的四足步行機(jī)器人起名為 QW-1，這是由清華大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室最先推出的一個(gè)機(jī)器人，研究人員把平面四桿縮放機(jī)構(gòu)作為該機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的全方位感應(yīng)是通過(guò)腳底的壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的；圖(b)所示為清華大學(xué)相繼推出的仿蛙機(jī)器人，它的步行機(jī)構(gòu)是開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)上下坡和越障，即使在復(fù)雜的地面上仍然具有穩(wěn)定的自主行走能力。第 1 章 緒論5(a) QW-1 (b) 仿蛙機(jī)器人圖 1.6 由清華大學(xué)自主研發(fā)的機(jī)器人在2004年, 圖1.7所示的是由華中科技大學(xué)自主研發(fā)的具有手臂融合機(jī)構(gòu)的“4 ＋2”步行機(jī)器人 [18,19]。該步行機(jī)器人正常行走的時(shí)候才用六條腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)需要進(jìn)行工作任務(wù)的時(shí)候就會(huì)抬起前兩條腿來(lái)變成機(jī)械手進(jìn)行工作，另外四條腿則保持協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)或者起到支撐架的作用。其外形尺寸為1240 mm×920 mm×550 mm。該機(jī)器人即能行走又能完成機(jī)械手功能的這一設(shè)計(jì)思想充分體現(xiàn)了機(jī)器人的多運(yùn)動(dòng)形式和多功能性。華中科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也一直設(shè)計(jì)和研究四足步行機(jī)器人。例如哈工大研究人員巧妙的采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)作為四足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)，如圖 1.8 所示。圖 1.7 手腳融合型機(jī)器人 圖 1.8 渦輪蝸桿傳動(dòng)型機(jī)器人1.3 本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)及完成的主要工作內(nèi)容、預(yù)期結(jié)果1.3.1 研究目標(biāo)本課題為主要用于在一定波形路面上行走的新型四足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真。首先應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有的四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了解和分析，其次明確本次的設(shè)計(jì)任務(wù)，并采用合理的方法來(lái)完成四足步行機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)。最后對(duì)機(jī)器人重要部位進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)從而更好地滿足機(jī)器人的功能要求。首先，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研制的四足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)一般相對(duì)簡(jiǎn)單，但是控制系統(tǒng)復(fù)雜，并且研究靜態(tài)步行的機(jī)器人較多，很少有對(duì)動(dòng)態(tài)步行的研究。所以本設(shè)計(jì)的目的6在于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)也相應(yīng)的簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加該類步行機(jī)器人的功能多樣性，使得其適應(yīng)性更強(qiáng)，成本更低，更加適用于市場(chǎng)推廣。另外，本設(shè)計(jì)的一大特色是采用模塊化設(shè)計(jì)思想。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)可根據(jù)工況的變化而更換。比如，采用可在水平地面上的穩(wěn)定行走的摩擦系數(shù)較大的輪式足結(jié)構(gòu)；用連桿結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在多障礙場(chǎng)合進(jìn)行輕松越障的行走工作，其實(shí)現(xiàn)形式就是在小腿部位換裝不同結(jié)構(gòu)的腳部結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計(jì)中只采用一種結(jié)構(gòu)，即通過(guò)設(shè)計(jì)一種合理的曲線來(lái)保證機(jī)器人行走時(shí)的腰部始終在同一水平線上的腳底形狀。1.3.2 設(shè)計(jì)完成的主要工作內(nèi)容1、四足步行機(jī)器人總體方案的確定與相關(guān)參數(shù)的確定（1）對(duì)目前現(xiàn)有的四足步行機(jī)器人查閱了相關(guān)的資料，全面地了解國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。先初步對(duì)四足步行機(jī)器人的總體方案進(jìn)行確定，其任務(wù)主要包括步行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)及步行機(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)單敘述了最佳方案選擇的全過(guò)程。（2）確定四足步行機(jī)器人總體方案的重要參數(shù)，主要包括機(jī)器人總體的結(jié)構(gòu)尺寸、步行機(jī)構(gòu)的尺寸、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的尺寸，各個(gè)驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)的選擇，相關(guān)零部件參數(shù)的選擇和校核計(jì)算等等；2、四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（1）總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，規(guī)劃本課題設(shè)計(jì)的步行機(jī)器人的行走及轉(zhuǎn)彎步態(tài)，設(shè)計(jì)機(jī)器人四條腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)等等；（2）步行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要包括傳動(dòng)裝置、小腿部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，闡述機(jī)構(gòu)工作原理，確定傳動(dòng)方案；（3）轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，闡述工作原理，確定傳動(dòng)方案。3、四足步行機(jī)器人主要零部件的校核與相關(guān)零件和元器件的選擇（1）進(jìn)行相關(guān)零部件和元器件的選擇，包括電機(jī)選型、滾動(dòng)軸承型號(hào)等；（2）直齒圓錐齒輪的尺寸參數(shù)的確定和強(qiáng)度校核的計(jì)算；第 1 章 緒論7（3）傳動(dòng)軸材料的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的校核計(jì)算；（4）軸承強(qiáng)度的校核與壽命的計(jì)算；（5）螺栓組強(qiáng)度和使用壽命的相關(guān)校核。4、四足步行機(jī)器人的工程圖繪制按照機(jī)械制圖的規(guī)范和要求來(lái)繪制四足步行機(jī)器人的總體裝配圖、步行機(jī)構(gòu)的部件圖和相關(guān)零件的零件圖，用手工及計(jì)算機(jī)出圖。1.3.3 本設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果本設(shè)計(jì)要求最終能夠?qū)崿F(xiàn)的預(yù)期目標(biāo)主要是：確定總體方案，選擇適合的電機(jī)型號(hào)，完成步行機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使步行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)能夠相互配合運(yùn)動(dòng)，從而讓四足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)小跑步態(tài)運(yùn)動(dòng)和避障等功能。要求該四足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人四條腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，保證四條腿及轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)能夠在抬起的時(shí)候不會(huì)使機(jī)器人整體傾覆，并要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保證機(jī)器人的相對(duì)穩(wěn)定性。四足步行機(jī)器人的四個(gè)步行機(jī)構(gòu)分別采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)械腿的形式是為了保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中控制更加方便可靠和使得相互之間耦合關(guān)系減弱而加上去的，該機(jī)器人每條腿的結(jié)構(gòu)相似，四條腿之間相互配合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而保證四足步行機(jī)器人相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。本課題設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)器人的腳部機(jī)構(gòu)不僅要盡量保證在支撐時(shí)與地面始終接觸，還要要求支撐腿在支撐過(guò)程中配合擺動(dòng)腿進(jìn)行蹬地運(yùn)動(dòng)，保證步行機(jī)器人在行走時(shí)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。8第 2 章 機(jī)器人的步態(tài)分析與方案確定2.1 四足步行機(jī)器人的步態(tài)分析與規(guī)劃2.1.1 四足步行機(jī)器人的步態(tài)分析從發(fā)展機(jī)器人技術(shù)之前，科學(xué)家就已經(jīng)在努力研究動(dòng)物和昆蟲的行走方式，動(dòng)物的步態(tài)實(shí)現(xiàn)形式一直是生物學(xué)家的研究難題 [20~23]。近幾年從事機(jī)器人技術(shù)的研究人員一直在努力構(gòu)造動(dòng)物副本的步行行走姿態(tài)—多足步行機(jī)器人。根據(jù)步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特殊性，開發(fā)出來(lái)了不同于動(dòng)物行走步態(tài)的奇特行走姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能。步態(tài)規(guī)劃對(duì)四足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)非常重要。在進(jìn)行四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該先合理的規(guī)劃步行機(jī)器人的步態(tài)才能得出合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)真實(shí)馬的行走方式，設(shè)計(jì)出步行機(jī)器人的直線行走與轉(zhuǎn)彎時(shí)各個(gè)部位間的相互運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。為了能夠更好的規(guī)劃四足步行機(jī)器人的行走方式，本文首先研究了現(xiàn)實(shí)生活中馬行走時(shí)的步態(tài)。首先，給出步態(tài)的定義：指步行機(jī)構(gòu)中各個(gè)腿的動(dòng)作順序和方式的規(guī)律 [26]。人們通常把步態(tài)劃分為對(duì)稱的和非對(duì)稱的。如果四個(gè)腿中存在地時(shí)間相等的雙腿，則被稱為對(duì)稱步態(tài)比如行走（walk） 、溜蹄（ pace）和對(duì)角小跑（trot） [24]；雙腿著地時(shí)間不相等的，就是非對(duì)稱步態(tài)比如奔跑（gallop ） 。有的研究文獻(xiàn)中，把慢跑（canter ）歸為非對(duì)稱步態(tài) [25]。本文將詳細(xì)介紹一下馬的對(duì)角小跑步態(tài)。四足動(dòng)物最常使用的對(duì)角小跑步態(tài)是一種中等速度的步態(tài)，當(dāng)它們由行走向奔跑變換步態(tài)的時(shí)候就會(huì)用對(duì)角小跑步態(tài)來(lái)提高行走速度。馬在小跑時(shí)斜對(duì)角的兩條腿同步動(dòng)作。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)對(duì)角的兩條腿同時(shí)作為支撐相時(shí)，另外兩條腿作為擺動(dòng)相。支撐相的兩條腿著地點(diǎn)的連線在機(jī)器人機(jī)體的下方，可以說(shuō)這種步態(tài)也是相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)步行方式。對(duì)于某些兩棲動(dòng)物來(lái)說(shuō)，由于它們的神經(jīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單而無(wú)法控制穩(wěn)定性相對(duì)較低的非對(duì)稱步態(tài)，只能采用對(duì)角小跑步態(tài)來(lái)提高速度，所以這種步態(tài)成為它們躲避敵人或者捕食獵物時(shí)的最佳動(dòng)作。如圖 2.1 所示，馬在小跑時(shí)，大部分時(shí)間是對(duì)角的兩條腿作為支撐相，另外兩條腿則作為擺動(dòng)相， ，并且四條腿或者三條腿在相當(dāng)短暫的時(shí)間內(nèi)能夠同時(shí)起到支撐作用。第 1 章 緒論9這種步態(tài)的移動(dòng)速度中等。研究表明，正常情況下成年的馬在完成一個(gè)步態(tài)周期所用的時(shí)間大約是 1 秒左右。第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定11圖 2.1 馬在小跑時(shí)的示意圖2.1.2 四足步行機(jī)器人行走的步態(tài)規(guī)劃圖 2.2 所展示的是機(jī)器人小跑時(shí)的原理分析圖。123412341234圖 2.2 機(jī)器人小跑運(yùn)動(dòng)分析圖如圖 2.2 所示，機(jī)器人在小跑運(yùn)動(dòng)時(shí)四條腿的具體動(dòng)作過(guò)程為：（1）初始位姿如圖 2.2 第一個(gè)圖，四條腿同時(shí)作為支撐相站立在地面上；（2）開始邁步的時(shí)候，右前腿 3 和左后腿 1 往前邁步，同時(shí)左前腿 2 和右后腿 4往后蹬地從而實(shí)現(xiàn)第一個(gè)跨步；（3）當(dāng)右前腿 3 和左后腿 1 再次著地的同時(shí)，左前腿 2 和右后腿 4 開始往前邁步，并且右前腿 3 和左后腿 1 往后蹬地；（4）四個(gè)腿成對(duì)依次完成邁步動(dòng)作，形成一個(gè)步態(tài)周期。2.1.3 四足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃為了實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，設(shè)計(jì)出用錐齒輪傳動(dòng)的系統(tǒng)安裝在腿部機(jī)體上12[17]，四個(gè)電機(jī)依次轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，如圖 2.3 所示的是四足步行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎步態(tài)過(guò)程，具體的過(guò)程可以描述為：（1）左前腿 3 和右后腿 1 在往前邁步的時(shí)候轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度；（2）當(dāng)右前腿 4 和左后腿 2 往前邁步的時(shí)候也轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度；（3）當(dāng)避開障礙后，右前腿 4 和左后腿 2 在往前邁步的時(shí)候電機(jī)反轉(zhuǎn)相同的角度，左前腿 3 和右后腿 1 在邁步的時(shí)候也反轉(zhuǎn)相同的角度；（4）這樣在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，快速方便。1234 1234 1234圖 2.3 四足機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎示意圖2.2 四足機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。它的主要作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在路面上的行走，所以說(shuō)該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞是評(píng)價(jià)整個(gè)步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)動(dòng)靈活性的重要標(biāo)準(zhǔn)。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)用到了聯(lián)動(dòng)的平面六連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)不僅有可靠性高，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，對(duì)裝配誤差不敏感，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，而且連桿機(jī)構(gòu)制造簡(jiǎn)單，成本低，這符合設(shè)計(jì)一種適合市場(chǎng)推廣的產(chǎn)品的思路。本次設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的方式是通過(guò)連桿間的相互連接運(yùn)動(dòng)，由單個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，雙腿聯(lián)動(dòng)，減少了控制環(huán)節(jié)，進(jìn)一步降低了成本。連桿的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)本機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵，其中各連桿的尺寸是設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，該機(jī)構(gòu)的連桿大致可以分成兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，即大腿連桿組和小腿連桿組，可以對(duì)齊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)連桿的方法有很多，本文采用作圖法和解析法相結(jié)合的方法，具體設(shè)計(jì)方法如下。第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定132.2.1 大腿連桿組的設(shè)計(jì)圖 2.4 所展示的是機(jī)器人大腿部分的四連桿機(jī)構(gòu)—曲柄搖桿。由機(jī)架（連桿 1） ，大腿（連桿 2） ，大腿連桿（連桿 3） ，曲柄（連桿 4）構(gòu)成。根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要確定連桿 1 為固定連桿，長(zhǎng)度為 L1，搖桿 2 長(zhǎng)度為 L2，應(yīng)用兩個(gè)極限位置可得曲柄 4(L4)與連桿 3(L3)的關(guān)系。于是得到各連桿的尺寸。并且得到機(jī)器人左右腿的兩個(gè)曲柄的相位差始終為 15°，由于雙腿聯(lián)動(dòng)，即一條腿到達(dá)最前的位置時(shí)另一條腿已經(jīng)到達(dá)最后的位置，所以只要讓左腿和右腿的曲柄機(jī)構(gòu)成 150°-15°=135°夾角即可。1 5 °4L1L3 2L1d2圖 2.3 大腿連桿組計(jì)算2.2.2 小腿連桿組的設(shè)計(jì)小腿連桿為雙搖桿機(jī)構(gòu)，由大腿連桿（連桿 3） ，大腿（連桿 2） ，連桿 6，連桿 7構(gòu)成。應(yīng)用兩個(gè)極限位置，將連桿 5 旋轉(zhuǎn)到相同位置可以繪制出如 2.5 所示的圖形，應(yīng)用余弦定理可以很容易的計(jì)算出, 或者在 CAD 軟件中直接測(cè)量。對(duì)三角形 ΔABC 和 ΔA′B′C′應(yīng)用余弦定理：2 2848417cos()LdL?????332聯(lián)立，解得各連桿尺寸。141 0 3 °AA′D ′DCB大腿小腿6L7L851 2 2 ° 1 0 3 °圖 2.4 小腿連桿組計(jì)算 圖 2.5 腳底曲線設(shè)計(jì)2.2.3 腳底面的設(shè)計(jì)正常動(dòng)物行走時(shí)腰部并不是始終在同一條水平線上，運(yùn)動(dòng)時(shí)腰部會(huì)有一定的起伏，顯然對(duì)四足機(jī)器人剛性連接的機(jī)體上下運(yùn)動(dòng)是不方便的，所以通過(guò)設(shè)計(jì)合理的腳底曲線來(lái)保證機(jī)器人行走時(shí)的腰部始終在同一水平線上。腳底與地面的配合的要求并不是非常精確，故采用描點(diǎn)法設(shè)計(jì)腳底曲線。其設(shè)計(jì)方法是：在水平的地面上畫一系列點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)仿真后以這些點(diǎn)在小腿上畫軌跡曲線，這些軌跡曲線的包絡(luò)線的一部分就是我們所需要的腳底曲線，如圖 2.6 所示。至此，腿部行走機(jī)構(gòu)各個(gè)連桿尺寸和位置的設(shè)計(jì)計(jì)算完成。結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2.7所示。第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定15圖 2.7 步行機(jī)構(gòu)本體簡(jiǎn)圖根據(jù)圖 2.7 步行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，電機(jī)直接帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄作整周運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大腿的擺動(dòng)，曲柄帶動(dòng)的連桿作為搖桿再帶動(dòng)小腿的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)向前邁步和向后蹬地的連續(xù)動(dòng)作。此步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)能模仿馬在對(duì)角小跑時(shí)的步態(tài)。其工作原理為：電機(jī)組件（7）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（主視圖）從而帶動(dòng)曲柄（6）轉(zhuǎn)過(guò)一定角度 a，這樣就會(huì)帶動(dòng)大腿和小腿相對(duì)擺動(dòng)一定的角度，當(dāng)曲柄被動(dòng)整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小腿就會(huì)實(shí)現(xiàn)往前邁步和王后蹬地的循環(huán)動(dòng)作，從初始位姿的與地面接觸到抬腿，從抬腿到與地面接觸，再到往后蹬地這幾個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度是相等的，所以換腿的時(shí)間也是相等的，所以該設(shè)計(jì)的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候符合小跑步態(tài)時(shí)四條腿分布時(shí)序表，如圖 2.8 所示。定義小跑步態(tài)的占空系數(shù) ,根據(jù)小跑步態(tài)獨(dú)特的特點(diǎn)和對(duì)時(shí)序分析參數(shù)的定義，設(shè)定0.5??。定義一個(gè)跨步周期是根據(jù)任意一條腿相鄰兩次落地的時(shí)間差。由于fhpT對(duì)角小跑步態(tài)比較獨(dú)特，每條腿在同一時(shí)間內(nèi)的跨步周期中依次完成著地及抬起動(dòng)作，而且對(duì)角腿的著地和抬起時(shí)間和其它兩條腿在下個(gè)周期中的著地和抬起時(shí)間位于同一個(gè)跨步周期。16時(shí)間 t / s腿序號(hào)i4321T1t15t2t16t13t17t14t8圖 2.8 小跑步態(tài)跨步周期時(shí)序表2.3 四足步行機(jī)器人總體方案的確定2.3.1 設(shè)計(jì)的基本原則及目標(biāo)要求本設(shè)計(jì)的基本原則是在對(duì)馬的小跑步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿生的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的行走和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，保證步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，同時(shí)還要保證步行機(jī)器人的各個(gè)模塊易于拆卸維護(hù)，在滿足機(jī)器人能適應(yīng)具有一定波動(dòng)的路面的基礎(chǔ)上，形成一個(gè)在地面上靈活運(yùn)動(dòng)的四足步行機(jī)器人。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求是以四足哺乳動(dòng)物-馬的運(yùn)動(dòng)步態(tài)作為基本原理，進(jìn)行四足步行機(jī)器人的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括步行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并在盡量減少附加動(dòng)力和簡(jiǎn)化外部控制的基礎(chǔ)上，使各個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)器人的對(duì)角步態(tài)式的行走及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相位差來(lái)保證設(shè)計(jì)的可行性。在保證步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)及方便維修的基礎(chǔ)上，要做到盡量減少不必要的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化的同時(shí)又能很好的滿足機(jī)器人的使用要求。2.3.2 四足步行機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)1、四足步行機(jī)器人足數(shù)的方案設(shè)計(jì)步行機(jī)器人最重要的結(jié)構(gòu)就是步行機(jī)構(gòu)，所以對(duì)步行機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)器人第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定17設(shè)計(jì)成功與否的重要標(biāo)志 [26]。目前所設(shè)計(jì)的機(jī)器人腿部數(shù)量越來(lái)越多。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)足數(shù)為偶數(shù)時(shí)容易產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的步態(tài)。一般來(lái)說(shuō)足數(shù)越多承載能力就會(huì)越大，而足數(shù)越少其運(yùn)動(dòng)就會(huì)相對(duì)的越靈活。總結(jié)對(duì)足數(shù)選擇的主要影響因素主要包括：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的要求，機(jī)構(gòu)冗余性要求(就是當(dāng)步行機(jī)器人的腿部受到一定的損壞時(shí)還可以正常行走)，能量損耗情況，生產(chǎn)并制造機(jī)器人的成本，機(jī)器人的重量，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需控制的復(fù)雜程度和機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)任務(wù)所需安裝傳感器的復(fù)雜程度。如果步行機(jī)器人的性能要求及對(duì)工作條件的要求不一樣則在確定步行機(jī)器人足的數(shù)目時(shí)的側(cè)重點(diǎn)也就會(huì)不一樣。表 2.1 所列出的是機(jī)器人足數(shù)不同對(duì)應(yīng)的幾個(gè)不同性能對(duì)比分析。表 2.1 步行機(jī)器人的足數(shù)與性能評(píng)價(jià)分析表足數(shù) 2 3 4 6 8靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力 無(wú) 無(wú) 中等 良好 優(yōu)秀動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力 較差 中等 優(yōu)秀 良好 良好用自由度衡量的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度優(yōu)秀 中等 良好 較差 較差通過(guò)分析比較可以得出的結(jié)論：四足步行機(jī)器人相對(duì)于其他步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走能力是最好的，故可以實(shí)現(xiàn)馬的小跑步態(tài)。綜和上述分析，本文最終選用四足步行機(jī)器人。2、四足步行機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)本文所研究的對(duì)象是四足步行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種執(zhí)行方式可供選擇。國(guó)內(nèi)外的一些四足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)大多采用開鏈?zhǔn)?、閉鏈?zhǔn)揭约捌渌问降慕Y(jié)構(gòu)等。閉鏈?zhǔn)降牟叫袡C(jī)構(gòu)有較好的承載力、剛性和較小的功耗，腿部末端在機(jī)體上部有較大的運(yùn)動(dòng)空間，從而給機(jī)構(gòu)帶來(lái)死點(diǎn)。研究人員有時(shí)會(huì)應(yīng)用動(dòng)物的四肢結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)步行機(jī)器人的步行結(jié)構(gòu)。所以多是關(guān)節(jié)式的步行機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而18緊湊，足端相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間大，運(yùn)動(dòng)時(shí)就算出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)也能很快恢復(fù)最初的姿態(tài)。它的缺點(diǎn)是四個(gè)腿的耦合運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致協(xié)調(diào)控制變得復(fù)雜難實(shí)現(xiàn)，另外機(jī)器人的承載能力也會(huì)下降。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是開鏈?zhǔn)降?，所以本文僅簡(jiǎn)單分析以下兩種開鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)構(gòu)。（1）二自由度的腿部開鏈?zhǔn)竭B桿機(jī)構(gòu)圖 2.9（左）所展示的是具有兩個(gè)自由度的腿部的模型。該開環(huán)式腿的組成有小腿、大腿和髖關(guān)節(jié)。兩個(gè)自由度分別是：一個(gè)是大小腿組成的為了實(shí)現(xiàn)腿抬起和下落的平面連桿機(jī)構(gòu)；另一個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)腿的前后擺動(dòng)的連接關(guān)節(jié)—髖關(guān)節(jié)。右圖中的圓柱為髖關(guān)節(jié)，大腿長(zhǎng)度是 ，小腿長(zhǎng)度是 。小腿在 A 點(diǎn)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1L2LZ 軸Y 軸X 軸αβγpqB圖 2.9 二自由度的開鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)構(gòu)當(dāng)機(jī)構(gòu)處于某個(gè)位置，大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角設(shè)為 ，小腿桿轉(zhuǎn)角設(shè)為 ，p ,q 分別表??示為桿長(zhǎng)在 oxy 平面內(nèi)的投影和髖關(guān)節(jié)距離地面的高度。則可以得出足端 B 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，式（2-1）中負(fù)號(hào)表示沿 Z 軸的負(fù)方向。（2-1）cosinbxptzq???????????12cosinpLq????（2）三自由度的腿部開鏈?zhǔn)竭B桿機(jī)構(gòu)如圖 2.10（左）所示為三自由度的開鏈?zhǔn)竭B桿機(jī)構(gòu)的示意圖。三個(gè)自由度分別是：髖關(guān)節(jié)—繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)為 ；大腿關(guān)節(jié)—繞著與大小腿運(yùn)動(dòng)所成平面垂直1L第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定19軸旋轉(zhuǎn)，桿長(zhǎng)設(shè)為 ；小腿關(guān)節(jié)—繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)，桿長(zhǎng)設(shè)為 。2L 3LZ 軸Y 軸X 軸pqCOABαβγΦ12L3圖 2.10 三自由度的開鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)構(gòu)圖 2.10（右）所展示的是機(jī)構(gòu)處于某位置，小腿桿轉(zhuǎn)角設(shè)為 ，大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角設(shè)?為 和髖關(guān)節(jié)夾角設(shè)為 ，則得出式（2-2）所示的足端 C 點(diǎn)的軌跡方程。??（2-2）cosinbxptzq??????????式中： ????12332cosinisi90sipLqL????????????從上式中可以得出結(jié)論是：在 X-Z 平面內(nèi)足端運(yùn)動(dòng)曲線類似橢圓，機(jī)器人髖關(guān)節(jié)再轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)使得足端的運(yùn)動(dòng)空間變成三維。所要設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)器人，它的工作對(duì)象設(shè)定為一定較小波動(dòng)和有較大障礙的地面，要求承載能力大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、速度適中、適應(yīng)能力強(qiáng)，并且要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，這樣控制系統(tǒng)就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，從整體上降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。在本設(shè)計(jì)中采用具有兩自由度的開鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)。表 2.2 是對(duì)幾種具體的腿部結(jié)構(gòu)形式的分析比較。表 2.2 不同腿部結(jié)構(gòu)形式分析表20優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)單關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)彎容易，易實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿生 電機(jī)數(shù)量多，控制復(fù)雜，平面連桿式 運(yùn)動(dòng)形式多，傳動(dòng)壓力小，磨損輕，制作簡(jiǎn) 單，成本高慣性力難平衡，設(shè)計(jì)復(fù)雜，積累誤差輪足一體式 承載能力大，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力 對(duì)路面要求高，應(yīng)用范圍窄蝸輪蝸桿式承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力強(qiáng)運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)笨重，運(yùn)動(dòng)局限性大通過(guò)分析比較，決定采用平面連桿式結(jié)構(gòu)，大腿和小腿采用聯(lián)動(dòng)方式，從而將減少驅(qū)動(dòng)元件，也就會(huì)使得控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。3、四足機(jī)器人轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)是機(jī)器人的重要部分之一，主要功能是使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，從而成功避開較大的障礙物。在進(jìn)行步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減少自由度而且簡(jiǎn)化控制。初步確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源都采用電機(jī)。轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的電機(jī)分布方案有如下兩種：（a）雙電機(jī)分布式轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)這種雙電機(jī)分布式轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的主要工作原理是把兩個(gè)一樣的空心杯直流伺服電機(jī)分別安裝在對(duì)角的兩個(gè)腿部，一個(gè)電機(jī)控制兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，而在轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的中間用同步帶傳動(dòng)，但是這種布局會(huì)增加機(jī)器人機(jī)體的整體尺寸，也會(huì)使重心不在機(jī)體幾何中心，這不符合小跑步態(tài)的重心要求。（b）四電機(jī)分布式轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)四電機(jī)分布式轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的主要工作原理是每個(gè)腿部機(jī)構(gòu)都單獨(dú)由一個(gè)伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，這樣轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)會(huì)更加的靈活，相互之間不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，也很好的控制了整體尺寸。轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)中最常見的傳動(dòng)方案有：第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定21（a）帶傳動(dòng)：一般來(lái)說(shuō)帶傳動(dòng)具有良好的彈性，而且傳動(dòng)比較平穩(wěn)，噪聲小而且有很好的吸振和緩沖的作用；帶傳動(dòng)會(huì)使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單化，制造、安裝及維護(hù)都比較方便；一般使用于大中心距的傳動(dòng)；外形輪廓尺寸大且效率低。（b）齒輪傳動(dòng)：傳動(dòng)比準(zhǔn)確，效率高，傳動(dòng)功率和速度范圍廣，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊；但是齒輪制造成本相對(duì)較高，精度低的時(shí)候噪聲大。（c）蝸桿傳動(dòng)：能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳動(dòng)比，并且工作較平穩(wěn)；當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角≤3.5°～ 6°時(shí)傳動(dòng)具有自鎖性，傳動(dòng)效率較低，制造成本較高。（d）螺旋傳動(dòng)：傳動(dòng)精度高，但是加工精度也高，成本較高，主要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)矩變成推力。2.3.3 設(shè)計(jì)方案的選擇和確定1、方案評(píng)選的基本原則根據(jù)以下準(zhǔn)則進(jìn)行機(jī)器人最終方案的確定（a）整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作流程要能夠充分體現(xiàn)高效化和自動(dòng)化；（b）各個(gè)部分的機(jī)構(gòu)部件設(shè)計(jì)在達(dá)到高可靠性和易裝拆維護(hù)的基礎(chǔ)上的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)平穩(wěn)性和靈活性；（c）對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性要強(qiáng)，而且應(yīng)用范圍要廣；（d）在模仿生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，盡量用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能。在設(shè)計(jì)四足步行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的過(guò)程中應(yīng)該一直貫徹這樣的設(shè)計(jì)思想：設(shè)計(jì)不僅要保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和可靠性，而且在此基礎(chǔ)上要做到使各個(gè)機(jī)構(gòu)的零部件能夠保證機(jī)械傳動(dòng)銜接的合理性，并且最大限度的降低機(jī)器人在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中所加入的外加動(dòng)力源的數(shù)量。2、步行機(jī)構(gòu)的方案評(píng)價(jià)和確定第一種兩個(gè)自由度的開鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)器人是通過(guò)連桿平面運(yùn)動(dòng)和髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的運(yùn)動(dòng)。第二種三自由度開鏈?zhǔn)讲叫袡C(jī)器人雖然動(dòng)作靈活，使步22行機(jī)器人適應(yīng)于更廣的范圍與領(lǐng)域，但是足端運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，再加上髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得足端運(yùn)動(dòng)是一個(gè)空間軌跡，在控制各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和時(shí)間時(shí)較為復(fù)雜。但第一種機(jī)器人和第二種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式都很具有參考價(jià)值。根據(jù)課題的相關(guān)要求和通過(guò)比較各種腿部具體結(jié)構(gòu)，最終決定四足機(jī)器人的步行結(jié)構(gòu)采用平面四連桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)一種新穎的四足步行機(jī)器人，并確定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案使得該機(jī)器人滿足本應(yīng)具有的性能。3、四足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)方案評(píng)價(jià)和確定（1）電機(jī)分布方案的確定四電機(jī)分布的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)相對(duì)于兩電機(jī)分布的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)方案，雖然多出了兩個(gè)電機(jī)，但是能更好的實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎姿態(tài)，更能體現(xiàn)四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及可控性，所以選擇四電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。（2）傳動(dòng)方案的確定考慮到步行機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)是通過(guò)相交軸傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且要求結(jié)構(gòu)要緊湊、高效率和低成本，最終決定采用錐齒輪傳動(dòng)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的傳動(dòng)。4、總體原理方案的確定在本課題的四足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，由于采用平面連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎避障的思想，由此確定在設(shè)計(jì)中主要存在如下兩個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)：步行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。首先，對(duì)于步行結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)已確定為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。具體采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大腿和小腿的聯(lián)動(dòng)。一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)步行機(jī)構(gòu)，不僅使得電機(jī)的數(shù)量大大減少，關(guān)節(jié)自由度數(shù)降低，而且運(yùn)動(dòng)形式單一，從而使得該機(jī)器人方便控制，而且這樣的設(shè)計(jì)也使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。其次，針對(duì)機(jī)身部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，將轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)體上從而增加腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這樣的設(shè)計(jì)較容易，驅(qū)動(dòng)較少，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)體。但是，腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的加入，不僅會(huì)降低機(jī)器人的承載能力，而且在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，腿的相互協(xié)調(diào)非常困難，尤其是針對(duì)本設(shè)計(jì)采用的小跑步態(tài)。將轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在腿與機(jī)體的連接部位，雖然增加了驅(qū)動(dòng)數(shù)量但是運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單化，所以最終確定采用四電機(jī)分布的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。第 2 章 四足步行機(jī)器人的總體方案確定232.4 本章小結(jié)本章主要對(duì)機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，同時(shí)完成了四足步行機(jī)器人系統(tǒng)方案的提出和論證及最終方案的確定。采用平面四連桿機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在最大程度上滿足了四足步行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，最大程度的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。這符合四足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的及基本原則，同時(shí)也充分的體現(xiàn)了創(chuàng)新型設(shè)計(jì)的要求，為下一章節(jié)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了準(zhǔn)備。24第 3 章 四足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 四足步行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是行走機(jī)構(gòu)，采用聯(lián)動(dòng)的平面六連桿機(jī)構(gòu)。由單個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，雙腿聯(lián)動(dòng)，控制系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化,具體結(jié)構(gòu)見圖 3.1。123456781-腳部 2-減震裝置 3-大腿桿件 4-小腿桿件 5-大腿連桿 6-曲柄 7-電機(jī)組件 8-軸承端蓋 圖 3.1 步行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)詳圖3.2 四足步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的步行機(jī)器人轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)不僅是機(jī)器人腿部和機(jī)體的連接機(jī)構(gòu)，而且直接利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)直齒圓錐齒輪進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的機(jī)器人轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)利用四個(gè)直流空心杯伺服調(diào)速電機(jī)相互配合完成機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，同時(shí)四個(gè)電機(jī)相配合也增加了機(jī)器人的限制度，可以達(dá)到僅使用電機(jī)就能智能控制步行機(jī)器人進(jìn)行正常的工作。本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)是在機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體結(jié)構(gòu)形式如圖 3.2 所示。